DE112009005057T5

DE112009005057T5 - Wandlersteuerung

Info

Publication number: DE112009005057T5
Application number: DE112009005057T
Authority: DE
Inventors: Takahiko Hasegawa; Nobuyuki Kitamura; Kota Manabe
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-07-10
Filing date: 2009-07-10
Publication date: 2012-06-28
Also published as: JPWO2011004492A1; JP5464451B2; CN102474177B; WO2011004492A1; CN102474177A; US8896282B2; US20120139522A1

Abstract

Es wird eine Wandlersteuerung vorgeschlagen, die einfach und früh eine Abnormalität bzw. einen Fehler einer Hilfsschaltung, die einen Soft-Switch-Wandler bildet, erfasst. Beim Ausschalten eines ersten Schaltelements S1 erfasst eine Steuerung eine Spannung Vc2 zwischen den beiden Enden eines Snubber-Kondensators C2 und eine Spannung Vs1 zwischen den beiden Enden des ersten Schaltelements S1, um eine Differenzspannung ΔV zu erhalten. Die Steuerung vergleicht die erhaltene Differenzspannung ΔV mit einem in einem (nicht dargestellten) Speicher gespeichertem Spannungsgrenzwert, um zu beurteilen, ob die Differenzspannung ΔV größer als der Spannungsgrenzwert ist. Wenn die Differenzspannung ΔV kleiner als der Spannungsgrenzwert ist, bestimmt die Steuerung, dass eine Hilfsschaltung 22b normal ist, und beendet das Verfahren, wohingegen, wenn die Differenzspannung ΔV nicht kleiner als der Spannungsfeldgrenzwert ist, die Steuerung bestimmt, dass ein Fehler (ein Öffnungsfehler) in der Hilfsschaltung 22b vorliegt, um in den Ausfallsicherheitsbetrieb zu schalten, und dadurch das Verfahren zu beenden.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wandlersteuerung, die eine Ausgangsspannung einer Brennstoffzelle steuert.
Stand der Technik
Um mit raschen Laständerungen und dergleichen klar zu kommen, die über die Leistungserzeugungsfähigkeit einer Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellensystem, das an einem Fahrzeug oder dergleichen montiert ist, hinausgehen, wurden verschiedene Arten von Hybrid-Brennstoffzellensystemen mit einer Brennstoffzelle und einer Batterie als Leistungsquelle vorgeschlagen.
Bei Hybrid-Brennstoffzellensystemen wird eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle sowie eine Ausgangsspannung der Batterie durch einen DC/DC-Wandler gesteuert. Als DC/DC-Wandler, der diese Steuerung durchführt, wird allgemein eine Art Wandler verwendet, die zulässt, dass ein Schaltelement eines Leistungstransistors, IGBTs, FETs oder dergleichen eine PWM-Operation ausgeführt, um die Spannung zu wandeln. Es ist wünschenswert, dass der DC/DC-Wandler weniger Verlust, eine höhere Effizienz und weniger Störungen bei gleichzeitiger Stromersparnis, Miniaturisierung bzw. Verkleinerung und Leistungssteigerung einer Elektronikvorrichtung erzielt. Insbesondere ist wünschenswert, dass ein Schaltverlust sowie ein Einschaltstoß, die mit der PWM-Operation einhergehen, verringert werden.
Eine der Technologien zum Verringern des Schaltverlustes und des Einschaltstoßes ist die Soft-Switch-Technologie. Hierbei ist das Soft-Switching bzw. Softswitching ein Schaltsystem zum Ermöglichen eines Nullspannungsschaltens (ZVS) oder Nullstromschaltens (ZCS), und der Schaltverlust einer Leistungs-Halbleitervorrichtung oder die darauf aufgebrachte Belastung ist niedrig. Dagegen wird ein Schaltsystem, das einen Strom oder eine Spannung durch eine Schaltfunktion einer Leistungs-Halbleitervorrichtung direkt ein oder aus schaltet als Hard-Switching bzw. Hardswitching bezeichnet. In der nachfolgenden Beschreibung wird ein System, in dem das ZVS und/oder das ZCS realisiert werden als Soft-Switching bezeichnet, und ein anderes System wird als Hard-Switching bezeichnet.
Das Soft-Switching wird durch einen Wandler (den so genannten Softswitch-Wandler) realisiert, in welchem eine Hilfsschaltung zum Verringern des Schaltungsverlusts einem herkömmlichen Auf/Ab-DC/DC-Wandler mit beispielsweise einer Drossel bzw. Induktanz, einem Schaltelement und einer Diode hinzugefügt ist (siehe beispielsweise Patentschrift 1).
Druckschriften aus dem Stand der Technik
Patentschrifttum

[Patentschrift 1] JP 2005-102438 A

Kurzfassung der Erfindung
Mit der Erfindung zu lösendes Problem
Wenn ein Fehler bzw. eine Anomalität in einer Hilfsschaltung eines derartigen Softswitch-Wandlers auftritt, kann das Soft-Switching nicht realisiert werden. Daher ist es notwendig, einfach und früh einen Fehler der Hilfsschaltung zu erfassen.
Die vorliegende Erfindung wurde unter Berücksichtigung der vorgenannten Situation gemacht, und es ist eine Aufgabe der desselben, eine Wandlersteuerung zu schaffen, die einfach und früh den Fehler einer Hilfsschaltung erfassen kann, die einen Softswitch-Wandler bildet.
Mittel zur Lösung des Problems
Um dieses Problem zu lösen, ist eine Wandlersterung der vorliegenden Erfindung eine Steuerung für einen Softswitch-Wandler, der eine Ausgangsspannung einer Brennstoffzelle steuert und eine Haupt-Spannungserhöhungsschaltung sowie eine Hilfsschaltung umfasst, wobei die Hilfsschaltung aufweist: einen Hilfsschalter, der parallel mit einem Hauptschalter verbunden ist, der die Haupt-Spannungserhöhungsschaltung bildet, und ein erstes Reihenschaltungselement, in welchem eine Schwarzsteuerdiode bzw. Klemmendiode und ein Snubber-Kondensator miteinander in Reihe verbunden sind, wobei die Schwarzsteuerdiode bzw. Klemmendiode und der Snubber-Kondensator parallel mit dem Hauptschalter verbunden sind und mit einem hochspannungsseitigen Anschluss bzw. Hochspannungsanschluss und einem niederspannungsseitigen Anschluss bzw. Niederspannungsanschluss der Brennstoffzelle verbunden sind, wobei die Wandlersteuerung aufweist: ein Erfassungsmittel zum Erfassen einer Spannung zwischen beiden Enden des von der Klemmendiode geklemmten Snubber-Kondensators in einem Fall, wo der Hauptschalter ausgeschaltet ist; und ein Beurteilungsmittel zum Vergleichen der Spannung zwischen den beiden Enden des Snubber-Kondensators mit einem eingestellten Normalspannungsgrenzwert, um zu bestimmen, dass in einem Fall, wo die Spannung zwischen den beiden Enden den Normalspannungsgrenzwert übersteigt, ein Fehler in der Hilfsschaltung vorliegt.
Gemäß einer derartigen Ausgestaltung wird, in dem Fall wo die Spannung zwischen den beiden Enden des Snubber-Kondensators den Normalspannungsgrenzwert übersteigt, bestimmt, dass ein Fehler bzw. eine Anomalität oder Abnormalität (ein Öffnungsfehler oder dergleichen) in der Hilfsschaltung vorliegt. Hierbei tritt, wenn eine große Stoßspannung Vsu Hauptschalter erzeugt wird (siehe 14), ein großer Energieverlust im Hauptschalter auf. Im schlimmsten Falle ist es möglich, dass eine anormale Überhitzung einen Zusammenbruch bzw. Ausfall eines Elements verursacht oder den dielektrischen Ausfall des Elements bedingt. Jedoch ist es gemäß der vorgenannten Ausgestaltung möglich, früh und einfach den Fehler der Hilfsschaltung zu erfassen. Dies ermöglicht einen schnellen Übergang in den Ausfallsicherheitsbetrieb. Folglich ist es möglich ein Problem wie den Ausfall des Elements vorab zu vermeiden.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der vorgenannten Konfiguration weist ferner ein Differenzableitungsmittel zum Erhalten einer Differenzspannung zwischen den beiden Enden des Snubber-Kondensators und einer Spannung zwischen den beiden Enden des Hauptschalters auf, wobei das Beurteilungsmittel die Differenzspannung mit einem gegebenen Fehlerbestimmungsgrenzwert vergleicht, um zu bestimmen, dass in einem Fall, wo die Differenzspannung den Fehlerbestimmungswert übersteigt, ein Fehler in der Hilfsschaltung vorliegt.
In der vorgenannten Ausgestaltung ist vorzugsweise ferner ein Ausfallsicherheitsmittel vorgesehen, zum Unterbrechen eines Betriebs der Haupt-Spannungserhöhungsschaltung in einem Fall, bei dem bestimmt wird, dass der Fehler in der Hilfsschaltung vorliegt.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der vorgenannten Konfiguration weist zudem ein Ausfallsicherungsmittel auf, zum Begrenzen einer Änderungsrate eines Stromes, der durch den Hauptschalter der Haupt-Spannungserhöhungsschaltung fließt auf eine Grenzänderungsrate oder weniger, in einem Fall, wo bestimmt wird, dass der Fehler in der Hilfsschaltung vorliegt.
Zudem kann die vorgenannte Ausgestaltung eine Konfiguration zeigen, bei welcher das Ausfallsicherungsmittel einen Gatewiderstand in dem Fall, wo bestimmt wird, dass der Fehler in der Hilfsschaltung vorliegt, auf einen Wert einstellt, der größer als ein Gatewiderstand des Hauptschalters in einem Fall ist, wo bestimmt wird, dass die Hilfsschaltung normal ist, um die Änderungsrate des Stromes auf die Grenzänderungsrate oder weniger zu begrenzen.
Bei der vorgenannten Ausgestaltung kann das Ausfallsicherungsmittel vorzugsweise in dem Fall, bei dem bestimmt wird, dass der Fehler in der Hilfsschaltung vorliegt, einen maximal zulässigen Lastwert auf einen Wert einstellen, der niedriger ist als ein maximal zulässiger Lastwert in dem Fall, wo bestimmt wird, dass die Hilfsschaltung normal ist, um die Änderungsrate des Stroms auf die Grenzänderungsrate oder weniger zu begrenzen.
Ferner kann bei der vorstehenden Ausgestaltung eine Konfiguration vorgesehen sein, wonach die Hilfsschaltung ferner ein zweites Reihenschaltungselement aufweist, in welchem eine Diode, eine Hilfsspule und der Hilfsschalter miteinander in Reihe verbunden sind, wobei die Diode, die Hilfsspule und der Hilfsschalter mit einem Abschnitt zwischen einem Verbindungsabschnitt der Klemmendiode und dem Snubber-Kondensator und einem Ende der Hauptspule verbunden sind.
Bei der vorgenannten Ausgestaltung kann zudem eine vorzugsweise Konfiguration vorgesehen sein, bei der die Haupt-Spannungserhöhungsschaltung ferner aufweist: eine Hauptspule, deren eines Ende mit dem hochspannungsseitigen Anschluss bzw. Hochspannungsanschluss der Brennstoffzelle verbunden ist, eine erste Diode, deren Kathode mit dem anderen Ende der Hauptspule verbunden ist, und einen Glättungskondensator, der mit einer Anode der ersten Diode sowie dem niederspannungsseitigen Anschluss bzw. Niederspannungsanschluss der Brennstoffzelle verbunden ist, und ein Ende des Hauptschalters mit dem anderen Ende der Hauptspule verbunden ist, und das andere Ende desselben mit dem niederspannungsseitigen Anschluss der Brennstoffzelle verbunden ist.
Daneben kann die vorgenannte Ausgestaltung bevorzugt eine Konfiguration haben, bei welcher der Softswitch-Wandler ein Mehrphasen Softswitch-Wandler ist, der für jede Phase eine Hilfsschaltung aufweist, und Hilfsspulen, welche die Hilfsschaltungen der jeweiligen Phasen bilden, in den Hilfsschaltungen aller Phasen gemeinsam verwendet werden.
Effekt der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, schnell und frühzeitig einen Fehler bzw. eine Abnormalität einer Hilfsschaltung zu erfassen, die einen Soft-Switch-Wandler darstellt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt ein Systemschaubild eines FCHV-Systems gemäß der vorliegenden Ausführungsform;
2 zeigt ein Diagramm zur Darstellung der Schaltanordnung eines Mehrphasen-FC-Soft-Switch-Wandlers gemäß der Ausführungsform;
3 zeigt ein Diagramm zur Darstellung der Schaltanordnung einer Phase des FC-Soft-Switch-Wandlers gemäß der Ausführungsform;
4 zeigt ein Flussdiagramm zur Darstellung der Softswitch-Verarbeitung gemäß der Ausführungsform;
5 ist eine Darstellung eines Betriebs von Modus 1;
6 ist eine Darstellung eines Betriebs von Modus 2;
7 ist eine Darstellung eines Betriebs von Modus 3;
8 ist eine Darstellung eines Betriebs von Modus 4;
9 ist eine Darstellung eines Betriebs von Modus 5;
10 ist eine Darstellung eines Betriebs von Modus 6;
11 ist ein Diagramm, das eine Beziehung einer Spannung Vc eines Snubber-Kondensators C2, einer Spannung Ve, die an ein erstes Schaltelement S1 angelegt werden soll, und eines Stromes Ie, der durch das erste Schaltelement S1 fließt, im Modus 5 zeigt;
12 zeigt eine Darstellung eines Spannung/Strom-Verhaltens in einem Übergangsprozess von Modus 2 nach Modus 3;
13 zeigt ein Diagramm das eine Spannung zwischen den beiden Enden eines Snubber-Kondensators, eine Spannung zwischen den beiden Enden eines ersten Schaltelements, und einen Strom, der durch das erste Schaltelement strömt, in einem Fall dargestellt, wenn die Hilfsschaltung normal ist;
14 zeigt ein Diagramm das eine Spannung zwischen den beiden Enden eines Snubber-Kondensators, eine Spannung zwischen den beiden Enden eines ersten Schaltelements, und einen Strom, der durch das erste Schaltelement strömt, in einem Fall dargestellt, wenn die Hilfsschaltung ein Öffnungsfehler hat;
15 ist ein Flussdiagramm zur Darstellung einer Fehlererfassungsverarbeitung der Hilfsschaltung;
16 ist ein Flussdiagramm zur Darstellung einer Fehlererfassungsverarbeitung einer Hilfsschaltung gemäß einem modifizierten Beispiel;
17 ist eine Darstellung einer anderen Konfiguration der Hilfsschaltung; und
18 ist eine Darstellung einer weiteren Konfiguration der Hilfsschaltung.
Ausführungsformen der Erfindung
A. Vorliegende Ausführungsform
Nachfolgend wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. 1 zeigt eine Ausgestaltung eines FCHV-Systems, das an einem Fahrzeug montiert ist, gemäß der vorliegenden Erfindung. Es sei angemerkt, dass bei der nachfolgenden Beschreibung, ein Brennstoffzellenhybridfahrzeug (FCHV) als Beispiel für das Fahrzeug angenommen wird, jedoch kann die vorliegende Erfindung auch auf ein Elektrofahrzeug und dergleichen angewandt werden. Darüber hinaus kann die vorliegende Erfindung nicht nur auf Fahrzeuge angewandt werden sondern auch auf verschiedene mobile Körper (z. B. ein Schiff, ein Flugzeug, einen Roboter, etc.), eine ortsfeste Leistungsquelle sowie ein tragbares Brennstoffzellensystem.
A-1. Gesamtaufbau des Systems
Bei einem FCHV-System 100 ist ein FC-Wandler 2500 zwischen einer Brennstoffzelle 110 und einem Inverter 140 vorgesehen, und ein DC/DC-Wandler (nachfolgend als Batteriewandler bezeichnet) 180 ist zwischen einer Batterie 120 und dem Inverter 140 vorgesehen.
Die Brennstoffzelle 110 ist ein Solidpolymer-Elektrolyt-Zellenstapel, der durch Stapeln einer Mehrzahl von Einheitszellen in Reihe erhalten wird. An der Brennstoffzelle 110 ist ein Spannungssensor V0 zum Erfassen einer Ausgangsspannung Vfcmes der Brennstoffzelle 110 sowie ein Stromspannungssensor 10 zum Erfassen eines Ausgangsstroms Ifcmes angebracht. In der Brennstoffzelle 118 tritt an der Anode eine Oxidationsreaktion gemäß Formel (1) auf, eine Reduktionsreaktion gemäß Formel (2) tritt an der Kathode auf, und eine elektromotorische Reaktion gemäß Formel (3) tritt in der gesamten Brennstoffzelle 110 auf. H₂ → 2H⁺ + 2e^– (1) (1/2)O₂ + 2H⁺ + 2e^– → H₂O (2) H₂ + (1/2)O₂ → H₂O (3)
Jede Einheitszelle hat eine Struktur, bei der eine MEA, in welcher ein Polymerelektrolytfilm oder dergleichen sandwichartig zwischen zwei Elektroden, einer Brennstoffelektrode und einer Luftelektrode, aufgenommen ist, sandwichartig zwischen Separatoren aufgenommen ist, um ein Brenngas und ein Oxidationsgas zuzuführen. In der Anode ist eine Katalysatorschicht für die Anode auf einer porösen Trägerschicht ausgebildet, und in der Kathode ist eine Katalysatorschicht für die Kathode auf einer porösen Trägerschicht vorgesehen.
Die Brennstoffzelle 110 ist mit einem System vorgesehen, das der Anode Brenngas zuführt, einem System, welches der Kathode Oxidationsgas zuführt, sowie einem System, das eine Kühlflüssigkeit bereitstellt (wobei keines der Systeme gezeigt ist). Wenn eine zuzuführende Menge an Brenngas sowie eine zuzuführende Menge an Oxidationsgas gemäß einem Steuersignal einer Steuerung 160 gesteuert werden, kann eine gewünschte Strommenge bzw. Leistung erzeugt werden.
Ein FC-Wandler 2500 nimmt eine Rolle zum Steuern der Ausgangsspannung Vfcmes der Brennstoffzelle 110 ein und ist ein bidirektionaler Spannungswandler, der die Ausgangsspannung Vfcmes, die an einer Primärseite eingegeben wird (eine Eingangsseite: eine Seite der Brennstoffzelle 110), in einen Spannungswert wandelt, der sich von dem an der Primärseite unterscheidet (die Spannung erhöht oder senkt), um die Spannung an eine Sekundärseite (eine Ausgangsseite: eine Seite des Inverters 140) auszugeben. Der Wandler wiederum wandelt eine Spannungseingabe an der Sekundärseite in eine von der Sekundärseite unterschiedliche Spannung, um die Spannung zur Primärseite auszugeben. Der FC-Wandler 2500 führt eine Steuerung aus, so dass die Ausgangsspannung Vfcmes der Brennstoffzelle 110 eine Spannung erreicht, die eine vorgegebene bzw. gewünschte Ausgabe erfüllt.
Die Batterie 120 ist parallel mit der Brennstoffzelle 110 bezüglich einer Last 130 verbunden und dient als eine Speicherquelle für überschüssige Leistung, als eine Speicherquelle für regenerative Energie zum Zeitpunkt regenerativen Bremsens, und als Energiepuffer zum Zeitpunkt der Lastvariation, welche mit der Beschleunigung oder Verzögerung des Brennstoffzellenfahrzeugs einhergeht. Als Batterie 120 können beispielsweise eine Nickel-Cadmium-Speicherbatterie, eine Nickel-Wasserstoff-Speicherbatterie oder eine Sekundärbatterie, wie eine Lithium-Sekundärbatterie verwendet werden.
Der Batteriewandler 180 nimmt eine Rolle zum Steuern der Eingangsspannung des Inverters 140 ein und hat zum Beispiel einen Schaltaufbau ähnlich dem FC-Wandler 2500. Es sei angemerkt, dass als Batteriewandler 180 ein Spannungserhöhungswandler verwendet werden kann, jedoch anstelle dieses Wandlers auch ein Spannungserhöhungs-/Senkungswandler, der eine Spannungserhöhungs-Operation sowie eine Spannungssenkungs-Operation ermöglicht, verwendet werden kann. Jeder Aufbau, der die Steuerung der Eingangsspannung des Inverters 140 ermöglicht, kann verwendet werden.
Der Inverter 140 ist ein PWM-Inverter, der beispielsweise durch ein Pulsweiten-Modulationssystem (PWM-System) betrieben werden kann. Gemäß einem Steuerbefehl von der Steuerung 160 wandelt der Inverter eine Gleichstrom-Leistungsausgabe der Brennstoffzelle 110 oder der Batterie 120 in eine Dreiphasen-Wechselstromleistung um, um ein Fahrmoment eines Traktionsmotors 131 zu steuern.
Der Traktionsmotor 131 erzeugt eine Hauptleistung des vorliegenden Fahrzeugs und erzeugt eine regenerative Leistung während des Bremsens. Ein Differenzial 132 dient als ein Verzögerungselement, das eine hohe Drehzahl des Traktionsmotors 131 auf eine vorgegebene Drehzahl verringert, um eine mit Rädern bzw. Reifen 133 versehene Welle zu drehen. Die Welle ist mit einem nicht dargestellten Raddrehzahlsensor oder dergleichen versehen, womit eine Fahrzeuggeschwindigkeit oder dergleichen des Fahrzeugs erfasst wird. Es sei angemerkt, dass bei der vorliegenden Ausführungsform alle Vorrichtungen (einschließlich des Traktionsmotors 131 und des Differenzials 132), welche von der Brennstoffzelle 110 gelieferte Leistung empfangen, um betrieben werden zu können, allgemein als die Last 130 bezeichnet werden.
Die Steuerung 160 ist ein Computersystem für die Steuerung des FCHV-Systems 100 und umfasst beispielsweise eine CPU, ein RAM, ein ROM und dergleichen. Die Steuerung 160 gibt verschiedene Signale ein (zum Beispiel ein Signal, das einen Gaspedal-Öffnungsgrad anzeigt, ein Signal, das die Fahrzeuggeschwindigkeit anzeigt, ein Signal, das den Ausgangsstrom oder die Ausgangsklemmenspannung der Brennstoffzelle 110 anzeigt, etc.), welche von einer Sensorengruppe 170 eingegeben werden, um eine benötigte Leistung der Last 130 (d. h. die benötigte Leistung des gesamten Systems) zu erhalten.
Die benötigte Leistung der Last 130 ist beispielsweise der Gesamtwert einer Fahrzeug-Antriebsleistung und einer Hilfsmaschinenleistung. Die Hilfsmaschinenleistung umfasst eine Leistung, die von Fahrzeug-basierten Hilfsmaschinen verbraucht wird (einem Befeuchter, einem Luftkompressor, einer Wasserstoffpumpe, einer Kühlwasser-Zirkulationspumpe, etc.), eine Leistung, welche von Vorrichtungen verbraucht wird, die zum Fahren des Fahrzeugs benötigt werden (ein Getriebe, eine Fahrzeugreifensteuerung, eine Lenkradsteuerung, eine Dämpfungs- oder Federungs- bzw. Aufhängungsvorrichtung, etc.), eine Leistung, welche von Vorrichtungen verbraucht wird, die in einer Fahrgastzelle angeordnet sind (Klimaanlage, Beleuchtungseinrichtung, Audiosystem, etc.) und dergleichen.
Die Steuerung 160 (die Konvertersteuerung) bestimmt ferner eine Verteilung der Ausgangsleistungen der Brennstoffzelle 110 und der Batterie 120, um einen Leistungserzeugungs-Befehlswert zu berechnen. Beim Berechnen der benötigten Leistungen der Brennstoffzelle 110 und der Batterie 120 steuert die Steuerung 160 den Betrieb des FC-Wandlers 2500 und des Batteriewandlers 180, um die benötigten Leistungen zu erhalten.
A-2. Aufbau des FC-Wandlers
Wie in 1 dargestellt, umfasst der FC-Wandler 2500 eine Schaltkonfiguration als Dreiphasen-Resonanzwandler, bestehend aus einer U-Phase, einer V-Phase und einer W-Phase. In der Schaltkonfiguration des Dreiphasen-Resonanzwandlers sind ein Schaltabschnitt, der ähnlich dem des Inverters ist, um die eingegebene Gleichstromspannung in einen Wechselstrom zu wandeln, sowie ein Abschnitt, der den Wechselstrom gleichrichtet, um den Strom erneut in unterschiedliche Gleichstromspannung zu wandeln, verbunden. Bei der vorlegenden Ausführungsform wird ein Mehrphasen-Soft-Switch-Wandler (nachfolgend als Mehrphasen-FC-Soft-Switch-Wandler bezeichnet) mit einer Freilaufschaltung (Details werden später beschrieben) verwendet.
A-2-1. Beschreibung des Mehrphasen-FC-Soft-Switch-Wandlers
2 zeigt eine Darstellung, die eine Schaltanordnung des Mehrphasen-FC-Softswitch-Wandlers (auch: Mehrphasen-FC-Softswitch-Wandlers) 2500 zeigt, der im FCHV-System 100 montiert ist, und 3 zeigt eine Darstellung, die eine Schaltkonfiguration einer Phase des Mehrphasen-FC-Softswitch-Wandlers 2500 darstellt.
In der nachfolgenden Beschreibung werden die U-Phasen-, V-Phasen- und W-Phasen-FC-Softswitch-Wandler, welche den Mehrphasen-FC-Softswitch-Wandler 2500 bilden, jeweils als FC-Softswitch-Wandler 250a, 250b und 250c bezeichnet. Wenn die Wandler nicht unbedingt unterschieden werden müssen, werden die Wandler einfach als FC-Softswitch-Wandler 250 bezeichnet. Zudem wird eine Spannung, die in den FC-Softswitch-Wandler 250 eingegeben werden soll, bevor diese erhöht wird, als Wandler-Eingangsspannung Vin bezeichnet, und die erhöhte Spannung, welche vom FC-Softswitch-Wandler 250 ausgegeben wird, wird als Wandler-Ausgangsspannung Vout bezeichnet.
Wie in 3 dargestellt, umfasst jeder FC-Softswitch-Wandler 250 eine Haupt-Spannungserhöhungsschaltung 22a zum Ausführen einer Spannungserhöhungs-Operation, eine Hilfsschaltung 22b zum Ausführen einer Softswitch-Operation, sowie eine Freilaufschaltung 22c.
Die Haupt-Spannungserhöhungsschaltung 22a gibt Energie, die in einer Spule L1 angesammelt wurde, an die Last 130 über eine Diode D5 durch eine Schaltoperation einer Wechselschaltung frei, die aus einem ersten Schaltelement S1 mit einem Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) oder dergleichen und einer Diode D4 besteht, um die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 110 zu erhöhen.
Dies wird nachfolgend im Detail beschrieben. Ein Ende der Spule L1 ist mit einem Hochspannungsanschluss bzw. hochspannungsseitigen Anschluss der Brennstoffzelle 110 verbunden, ein Pol eines Endes des ersten Schaltelements S1 ist mit dem anderen Ende der Spule L1 verbunden, und ein Pol des anderen Endes des ersten Schaltelements S1 ist mit einem Niederspannungsanschluss bzw. niederspannungsseitigen Anschluss der Brennstoffzelle 110 verbunden. Zudem ist ein Kathodenanschluss der Diode D5 mit dem anderen Ende der Spule L1 verbunden. Ferner ist ein Kondensator C3, der als Glättungskondensator dient, mit einem Abschnitt zwischen einem Anodenanschluss der Diode D5 und dem anderen Ende des ersten Schaltelements S1 verbunden. Die Haupt-Spannungserhöhungsschaltung 22a ist mit einem Glättungskondensator C1 auf Seite der Brennstoffzelle 110 vorgesehen, wodurch es möglich ist, die Welligkeit des Ausgangsstroms der Brennstoffzelle 110 zu verringern. Es sei angemerkt, dass ein Spannungssensor Sv1 vorgesehen ist, der eine Spannung zwischen den beiden Enden des ersten Schaltelements S1 erfasst.
Hierbei wird eine Spannung VH, die an den Kondensator C3 angelegt wird, die Wandler-Ausgangsspannung Vout des FC-Softswitch-Wandlers 150, und eine Spannung VL, die an den Glättungskondensator C1 angelegt wird, ist die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 110 und wird die Wandler-Eingangsspannung Vin des FC-Softswitch-Wandlers 150.
Die Hilfsschaltung 22b umfasst ein erstes Reihenschaltungselement mit einer Klemmendiode bzw. Schwarz-Steuerdiode D3, welche parallel mit dem ersten Schaltelement S1 und einem Snubber-Kondensator C2 verbunden ist, der in Reihe mit der Klemmendiode D3 geschaltet ist. Im ersten Reihenschaltungselement ist ein Kathodenanschluss der Klemmendiode D3 mit dem anderen Ende der Spule L1 verbunden, und ein Anodenanschluss der Klemmendiode D3 ist mit dem einen Ende des Snubber-Kondensators C2 verbunden. Ferner ist das andere Ende des Snubber-Kondensators C2 mit dem niederspannungsseitigen Anschluss der Brennstoffzelle 110 verbunden. Es sei angemerkt, dass ein Spannungssensor Sv2 vorgesehen ist, der eine Spannung zwischen den beiden Enden des Snubber-Kondensators C2 erfasst.
Ferner umfasst die Hilfsschaltung 22b ein zweites Reihenschaltungselement, bestehend aus einer Diode D2, einem zweiten Schaltelement S2, einer Diode D1 und einer Hilfsspule L2, die für die jeweiligen Phasen gemeinsam ist.
Bei dem zweiten Reihenschaltungselement ist ein Anodenanschluss der Diode D2 mit einem Verbindungsabschnitt zwischen der Klemmendiode D3 und dem Snubber-Kondensator C2 des ersten Reihenschaltungselements verbunden. Ferner ist ein Kathodenanschluss der Diode D2 mit einem Pol eines Endes des zweiten Schaltelements (dem Hilfsschalter) S2 verbunden. Ferner ist ein Pol des anderen Endes des zweiten Schaltelements S2 mit einem Verbindungsabschnitt zwischen der Hilfsspule L2 und der Freilaufschaltung 22c verbunden. Ein Anodenanschluss einer Freilaufdiode D6 ist mit der Niederspannungsseite der Brennstoffzelle 110 verbunden, wohingegen ein Kathodenanschluss der Freilaufdiode D6 mit der Hilfsspule L2 verbunden ist. Die Freilaufschaltung 22c ist eine Schaltung mit der Freilaufdiode D6, weiche für die jeweiligen Phasen gemeinsam ist, um eine Ausfallsicherheitsfunktion zu realisieren, die vorgesehen ist, um die Erzeugung einer solchen Stoßspannung vorab zu vermeiden, welche das zweite Schaltelement S2 beschädigt, selbst wenn ein Fall auftritt, bei welchem das zweite Schaltelement S2 einen Öffnungsfehler oder dergleichen während der Bestromung der Hilfsspule L2 hat. Es sei angemerkt, dass die vorliegende Erfindung auch auf eine Konfiguration angewendet werden kann, die keine derartige Freilaufschaltung 22c aufweist.
Bei dem FC-Softswitch-Wandler 250 mit dieser Konstitution regelt die Steuerung 160 ein Schaltverhältnis des ersten Schaltelements S1 einer jeden Phase, wodurch ein Spannungserhöhungsverhältnis des FC-Softswitch-Wandlers 250, d. h. ein Verhältnis der Wandler-Ausgangsspannung Vout bezüglich der Wandler-Eingangsspannung Vin gesteuert wird. Wenn die Schaltoperation des zweiten Schaltelements S2 der Hilfsschaltung 22b ferner zwischen der Schaltoperation des ersten Schaltelements S1 stattfindet, wird das Softswitching realisiert.
Nachfolgend wird eine Softswitch-Operation durch den FC-Softswitch-Wandler 250 unter Bezugnahme auf 4 und dergleichen beschrieben. 4 zeigt ein Flussschaubild zur Darstellung der Verarbeitung (nachfolgend als die Softswitch-Verarbeitung bezeichnet) für einen Zyklus des FC-Softswitch-Wandlers 250 über die Softswitch-Operation. Die Steuerung 160 führt nacheinander die Schritte S101 bis S106, wie in 4 dargestellt aus, um den Zyklus zu bilden. Es sei angemerkt, dass bei der folgenden Beschreibung Modi, welche die Zustände des Stroms und der Spannung des FC-Softswitch-Wandlers 250 darstellen, jeweils durch Modus 1 bis Modus 6 abgebildet werden und die Zustände in den 5 bis 10 gezeigt sind. Darüber hinaus zeigen die 5 bis 10 Ströme, welche durch die Schaltungen fließen, mittels Pfeilen.
<Softswitch-Operation>
Zunächst wird ein Ausgangszustand, bei dem die Softswitch-Verarbeitung aus 4 ausgeführt wird, als Zustand angenommen, wo die benötigte Leistung von der Brennstoffzelle 110 der Last 130 zugeführt wird, d. h. ein Zustand, wo sowohl das erste Schaltelement S1 als auch das zweite Schaltelement S2 ausgeschaltet sind, um den Strom der Last 130 durch die Spule L1 und die Diode D5 zuzuführen.
(Modus 1; siehe Fig. 5)
In Schritt S101 wird der Ausschaltzustand des ersten Schaltelements S1 gehalten, wohingegen das zweite Schaltelement S2 eingeschaltet wird. Wenn eine derartige Schaltoperation ausgeführt wird, bewegt sich der zur Last 130 strömende Strom aufgrund einer Potenzialdifferenz zwischen der Ausgangsspannung VH und der Eingangsspannung VL des FC-Softswitch-Wandlers 150 allmählich zu einer Seite der Hilfsschaltung 12b durch die Spule L1, die Diode D3, das zweite Schaltelement S2 und die Hilfsspule L2. Es sei angemerkt, dass in 5 ein Verhalten der Bewegung des Stromes von der Last 130 zur Hilfsschaltung 12b durch einen weißen Pfeil dargestellt ist.
Wenn ferner das zweite Schalelement S2 eingeschaltet wird, tritt ein Stromfluss in einer Richtung eines Pfeiles Dm11 in 5 auf. Hierbei nimmt eine Stromänderungsgeschwindigkeit des zweiten Schaltelements S2 gemäß einer Spannung (VH – VL) zwischen den beiden Enden der Hilfsspule L2 und einer Induktanz der Hilfsspule L2 zu, aber der durch das zweite Schaltelement S2 strömende Strom wird durch die Hilfsspule L2 unterdrückt. Das weiche Ausschalten des lastseitig durch die Diode D5 strömenden Stromes (siehe einen Pfeil Dm12 in 5) wird realisiert.
Hierbei wird eine Übergangs-Vervollständigungszeit tmode1 von Modus 1 nach Modus 2 durch die folgende Gleichung (4) dargestellt. tmode1 = max(Ip – ΔI / 2, 0) × L2id / (VH – VL) (4)

Ip;: Phasenstrom
L2id;: Induktanz der Hilfsspule L2

(Modus 2; siehe Fig. 6)
Wenn die Übergangs-Vervollständigungszeit abläuft, um zu Schritt S102 zu wechseln, wird der durch die Diode D5 fließende Strom Null (0), und der Strom fließt durch die Spule L1 und die Diode D5 (siehe einen Pfeil Dm21 in 6) auf die Seite der Hilfsschaltung 12b. Stattdessen fließt aufgrund einer Potenzialdifferenz zwischen der Spannung des Snubber-Kondensators C2 und der Spannung VL der Brennstoffzelle 110 eine Ladung im Snubber-Kondensator C2 zur Seite der Hilfsschaltung 12b (siehe einen Pfeil Dm22 in 6). Eine an das erste Schaltelement S1 anzulegende Spannung wird gemäß einer Kapazität des Snubber-Kondensators C2 bestimmt.
Hierbei zeigt 12 eine Darstellung eines Spannungs-/Stromverhaltens in einem Übergangsprozess von Modus 2 zu Modus 3. Die Spannung der Brennstoffzelle 110 wird durch eine dicke durchgezogene Linie dargestellt, die Spannung des Snubber-Kondensators C2 wird durch eine dünne durchgezogene Linie dargestellt, und der Strom des Snubber-Kondensators C2 wird durch eine gestrichelte Linie dargestellt.
Nach Start der Stromversorgung bzw. Bestromung des Pfades Dm21 in 6 (siehe (A), gezeigt in 12) wird die Stromversorgung eines Pfades Dm22 in 6, d. h. die Stromversorgung der Hilfsspule L2 aufgrund der Potenzialdifferenz zwischen der Spannung VH des Snubber-Kondensators C2 und der Spannung VL der Brennstoffzelle 110 (siehe (B), gezeigt in 12) gestartet. Hierbei steigt, wie in 12 dargestellt, der Strom des Snubber-Kondensators C2 weiter an, bis die Spannung des Snubber-Kondensators C2 die Spannung VL der Brennstoffzelle 110 erreicht.
Dies wird nun im Detail beschrieben. Die im Snubber-Kondensator C2 gesammelte Ladung beginnt sich auf Seiten einer Leistungsquelle aufgrund der Potenzialdifferenz zwischen der Spannung VH des Snubber-Kondensators C2 und der Spannung VL der Brennstoffzelle 110 (der Pfeil Dm22 in 6) zu regenerieren. Die Ursprungs-Potenzialdifferenz ist jedoch (VH – VL), und daher stoppt der Fluss der Ladung, welche im Snubber-Kondensator C2 angesammelt wurde (Entladung), wenn eine Leistungsquellenspannung (d. h. die Spannung VL der Brennstoffzelle 110) erreicht ist (Zeitpunkt Tt1 in 12). Aufgrund der Eigenschaften der Hilfsspule L2 (d. h. Eigenschaften, dass der Strom weiter durchfließt) wird die Ladung jedoch weiter durchgeführt, wenn die Spannung des Snubber-Kondensators C2 VL oder weniger wird (siehe (C) in 12). Zu diesem Zeitpunkt fließt, wenn die folgende Gleichung (4)' erfüllt ist, die gesamte Ladung des Snubber-Kondensators C2 (wird entladen). 1 / 2L·I² > 1 / 2C·V² (4)'

Linke Seite;: in der Hilfsspule L2 gesammelte Energie
Rechte Seite;: im Snubber-Kondensator verbleibende Energie.

Wenn die im Snubber-Kondensator C2 angesammelte Ladung entfernt ist, wird eine Freilauf-Operation durch einen Pfad Dm23 in 6 ausgeführt, um die Stromversorgung fortzusetzen (siehe (D) in 12). Folglich wird alle Energie, die in der Hilfsspule L2 angesammelt war, freigegeben. Es sei angemerkt, dass die Anode der Diode D2 mit einem Ende der Hilfsspule L2 verbunden ist, und daher die LC-Resonanz mit halber Welle stoppt. Folglich hält der Snubber-Kondensator C2 0 Volt nach der Entladung.
Hierbei ist eine Übergangs-Vervollständigungszeit tmode2 von Modus 2 zum Modus 3 durch die folgende Gleichung (5) dargestellt. tmode2 = tmode2' (5) tmode2' = π√L2id·C2d (5)'

C2d;: Kapazität des Kondensators C2.

(Modus 3; siehe Fig. 7)
Eine Operation, bei der der Strom durch den Pfad Dm22 in 6 strömt, endet, und die Ladung des Snubber-Kondensators C2 ist vollständig entfernt oder wird zu einer Minimalspannung (MIN-Spannung). In diesem Fall wird das erste Schaltelement S1 eingeschaltet, wodurch zu Schritt S103 übergegangen wird. In einem Zustand, wo die Spannung des Snubber-Kondensators C2 Null (0) ist, wird die an das erste Schaltelement S1 angelegte Spannung Null (0), und somit wird ein Null-Spannungsschalten (ZVS) realisiert. In einem derartigen Zustand wird ein Strom I11, der durch die Spule L1 fließt, die Summe eines Stroms Idm31, der durch eine Seite der Hilfsschaltung 12b strömt, wie durch den Pfeil Dm31 gezeigt, und eines Stromes Idm32, der durch das erste Schaltelement S1 strömt, wie durch einen Pfeil Dm32 dargestellt (siehe die folgende Gleichung (6). Il1 = Idm31 + Idm32 (6)
Hierbei wird der durch das erste Schaltelement S1 fließende Strom Idm31 gemäß einer Abnahmegeschwindigkeit des Stromes dm31, der auf Seiten der Hilfsschaltung 12b strömt, bestimmt. Eine Stromänderungsgeschwindigkeit des Stromes Idm31, der auf der Seite der Hilfsschaltung 12b strömt, wird durch die folgende Gleichung (7) dargestellt. Das bedeutet, der Strom Idm31, der auf Seiten der Hilfsschaltung 12b fließt, nimmt mit der Änderungsgeschwindigkeit der folgenden Gleichung (7) ab. Daher steigt, selbst wenn das erste Schaltelement S1 eingeschaltet wird, der durch das erste Schaltelement S1 fließende Strom nicht unmittelbar an, um das Nullstromschalten (ZCS) zu realisieren. di / dt = –VL / L2 (7)
(Modus 4; siehe Fig. 8)
Dann, wenn der Zustand des Schritts S103 in Schritt S104 fortgesetzt wird, wird eine Strommenge des in die Spule L1 fließenden Stromes erhöht, um allmählich die in der Spule L1 angesammelte Energie zu erhöhen (siehe einen Pfeil Dm42 in 8). Hierbei ist die Diode D2 in der Hilfsschaltung 12b vorgesehen. Somit fließt kein Strom zurück zur Hilfsspule L2, und der Snubber-Kondensator C2 wird nicht durch das zweite Schaltelement S2 geladen. Zudem schaltet zu diesem Zeitpunkt das erste Schaltelement S1 ein, und der Snubber-Kondensator C2 wird daher nicht durch die Diode D3 geladen. Folglich ist der Strom der Spule L1 der Strom des ersten Schaltelements S1, und die in der Spule L1 gespeicherte Energie nimmt allmählich zu. Hierbei wird eine Anschaltzeit Ts1 des ersten Schaltelements S1 näherungsweise durch die folgende Gleichung (8) dargestellt. Ts1 = (1 – VL/VH)·Tcon (8)

Tcon;: eine Steuerperiode

Es sei angemerkt, dass die Steuerperiode eine Zeitdauer der Softswitch-Verarbeitung darstellt, wenn eine Reihe von Verarbeitungen von Schritt S101 bis Schritt 106 als eine Zeitdauer (der eine Zyklus) betrachtet wird.
(Modus 5; siehe Fig. 9)
Wenn im Schritt S104 die gewünschte Energie in der Spule L1 gesammelt ist, wird das erste Schaltelement S12 ausgeschaltet, und der Strom fließt durch einen Pfad, der durch einen Pfeil Dm51 in 9 dargestellt ist. Hierbei zeigt 11 eine Darstellung zur Verdeutlichung einer Beziehung zwischen der Spannung Vc des Snubber-Kondensators C2, einer Spannung Ve, die an das erste Schaltelement angelegt werden soll, und einem Strom Ie, der durch das erste Schaltelement S1 im Modus 5 fließt. Wenn die vorgenannte Schaltoperation ausgeführt wird, wird der Snubber-Kondensator C2, der entladen wurde, um im Modus 2 einen Niederspannungszustand zu haben, geladen. Folglich steigt die Spannung Vc des Snubber-Kondensators C2 zur Wandler-Ausgangsspannung VH des FC-Softswitch-Wandlers 150 an. Zu diesem Zeitpunkt wird eine Anstiegsgeschwindigkeit der an das erste Schaltelement S1 angelegten Spannung Ve durch Laden des Snubber-Kondensators C2 unterdrückt (d. h. der Anstieg der Spannung wird gedämpft). Es wird möglich, eine ZVS-Operation auszuführen, welche den Schaltverlust zum Ausschalt-Zeitpunkt verringert (siehe α in 11).
(Modus 6; siehe Fig. 10)
Wenn der Snubber-Kondensator C2 auf die Spannung VH geladen wird, wird die in der Spule L1 gespeicherte Energie zur Lastseite hin freigegeben (siehe einen Pfeil Dm61 in 10). Hierbei wird ein Ausschalt-Zeitpunkt Ts2 des ersten Schaltelements S1 näherungsweise durch die folgende Gleichung (9) dargestellt. Ts2 = (VL/VH)·Tcon (9)
Wenn die vorgenannte Softswitch-Verarbeitung ausgeführt wird, wird der Schaltverlust des FC-Softswitch-Wandlers 150 weitestmöglich unterdrückt. Zudem steigt die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 110 auf eine gewünschte Spannung, und die Spannung kann der Last 130 zugeführt werden.
<Fehlerbestimmung der Hilfsschaltung 22b>
13 zeigt eine Darstellung, die die Spannung (eine durchgezogene Linie) zwischen beiden Enden des Snubber-Kondensators C2, die Spannung (eine gestrichelte Linie) zwischen den beiden Enden des ersten Schaltelements S1 und den Strom (eine Strichpunkt-Linie), der durch das erste Schaltelement S1 strömt in dem Fall zeigt, wo die Hilfsschaltung 22b des FC-Softswitch-Wandlers 150 normal ist. 14 ist ein Diagramm, das die Spannung (eine durchgezogene Linie) zwischen beiden Enden des Snubber-Kondensators C2, die Spannung (eine gestrichelte Linie) zwischen den beiden Enden des ersten Schaltelements S1 und den Strom (eine Strichpunkt-Linie), der durch das erste Schaltelement S1 strömt in dem Fall zeigt, wo ein Öffnungsfehler in der Hilfsschaltung 22b des FC-Softswitch-Wandlers 150 auftritt.
Es sei angemerkt, dass in der nachfolgenden Beschreibung zur leichteren Darstellung eine Spannung Vc2 zwischen den beiden Enden des Snubber-Kondensators C2 und eine Spannung Vs1 zwischen den beiden Enden des ersten Schaltelements S1 in einem Fall, wo die Hilfsschaltung 22b normal ist, jeweils als die Softswitch-C2-Spannung beziehungsweise als die Softswitch-C1-Spannung bezeichnet wird. Die Spannung Vc2 zwischen den beiden Enden des Snubber-Kondensators C2 und die Spannung Vs1 zwischen den beiden Enden des ersten Schaltelements in dem Fall, wo die Hilfsschaltung 22b einen Öffnungsfehler aufweist, wird jeweils als Hardswitch-C2-Spannung beziehungsweise als Hardswitch-C1-Spannung bezeichnet.
a. Der Fall, wo die Hilfsschaltung 22b normal ist (siehe Fig. 13)
Wenn das Schaltelement in dem Zustand ausschaltet, wo die Hilfsschaltung 22b normal ist (siehe Modus 4 in 8 → Modus 5 in 9), wird die in der Spule L1 gespeicherte Energie freigegeben, und der Strom fließt durch einen Pfad, der durch einen Pfeil Dm51 in 9 dargestellt ist. Folglich wird der Snubber-Kondensator C2, der entladen wurde, um im Modus 2 einen Niederspannungszustand zu haben, geladen, und die Softswitch-C2-Spannung steigt. Die Softswitch-S1-Spannung wird durch die Klemmendiode D3 geklemmt, und die Softswitch-C2-Spannung konvergiert zur Softswitch-S1-Spannung, d. h. der Spannung VH.
b. Der Fall, wo die Hilfsschaltung 22b den Öffnungsfehler hat (siehe Fig. 14)
Wenn der Öffnungsfehler in der Hilfsschaltung 22b auftritt, bleibt die Spannung Vc2 zwischen den beiden Enden des Snubber-Kondensators C2 VH, bevor das Schaltelement ausgeschaltet wird. Wenn das erste Schaltelement S1 ausgeschaltet wird, funktioniert die Hilfsschaltung 22b nicht normal. Dadurch wird ein Spannungsstoß Vsu im ersten Schaltelement S1 erzeugt. Der Spannungsstoß Vsu wird durch die Klemmendiode D3 geklemmt und erscheint als Hardswitch-C2-Spannung am Snubber-Kondensator C2. Die Hardswitch-S1-Spannung konvergiert schließlich zu VH, jedoch wird die Hardswitch-C2-Spannung durch den Spannungsstoß Vsu geklemmt. Daher wird, bei der vorliegenden Ausführungsform, eine Differenzspannung ΔV zwischen der Spannung Vc2 zwischen den beiden Enden des Snubber-Kondensators C2 und der Spannung Vs1 zwischen den beiden Enden des ersten Schaltelements S1 erhalten. Wenn die erhaltene Differenzspannung ΔV nicht geringer als ein Differenzspannungs-Grenzwert ist, wird bestimmt, dass der Fehler (der Öffnungsfehler) in der Hilfsschaltung 22b auftritt. Es ist nicht notwendig zu erwähnen, dass die Differenzspannung ΔV nicht erhalten wird, sondern die Spannung Vc2 zwischen den beiden Enden des Snubber-Kondensators C2 nur erfasst wird. Wenn die erfasste Spannung Vc2 zwischen den beiden Enden des Kondensators C2 nicht weniger als ein Normalspannungs-Grenzwert ist, kann bestimmt werden, dass der Fehler (der Öffnungsfehler) auftritt (für Details siehe modifiziertes Beispiel 1). Es sei angemerkt, dass der Differenzspannungs-Grenzwert und der Normalspannungs-Grenzwert vorab experimentell oder dergleichen erhalten werden können. Nachfolgend wird eine Fehlererfassungs-Verarbeitung der Hilfsschaltung 22b unter Bezugnahme auf 15 beschrieben.
15 ist ein Flussdiagramm zur Darstellung einer Fehlererfassungs-Verarbeitung der Hilfsschaltung 22b, die durch die Steuerung 160 ausgeführt wird.
Beim Ausschalten des ersten Schaltelements S1, beispielsweise beim Übergang vom Modus 4 in 8 zum Modus 5 in 9 (Schritt S1), erfasst die Steuerung (Differenz-Ableitungsmittel) 160 die Spannung Vc2 zwischen den beiden Enden des Snubber-Kondensators C2 und die Spannung Vs1 zwischen den beiden Enden des ersten Schaltelements S1, um die Differenzspannung ΔV zu erhalten.
Die Steuerung 160 vergleicht die erhaltene Differenzspannung ΔV mit einem Spannungsgrenzwert, der in einem Speicher (nicht dargestellt) gespeichert ist, um zu bestimmen, ob die Differenzspannung ΔV größer als der Differenzspannungs-Grenzwert ist oder nicht (Schritt S2).
Wenn die Differenzspannung ΔV geringer als der Differenzspannungs-Grenzwert ist, bestimmt die Steuerung 160, dass die Hilfsschaltung 22b normal ist, und beendet die Verarbeitung.
Wenn dagegen die Differenzspannung ΔV nicht geringer als der Differenzspannungs-Grenzwert ist, bestimmt die Steuerung (Beurteilungsmittel und Ausfallsicherheitsmittel) 160, dass der Fehler (der Öffnungsfehler) in der Hilfsschaltung 22b vorliegt, um in den Ausfallsicherheitsbetrieb, der in Schritt S3 dargestellt ist, zu schalten, und beendet dadurch die Verarbeitung. Als Ausfallsicherheitsbetrieb wird der Wandler einer Phase (zum Beispiel der U-Phase), für die bestimmt wurde, dass der Öffnungsfehler in der Hilfsschaltung 22b vorliegt, gestoppt, und die Last 130 wird unter Verwendung des Wandlers der verbleibenden Phase (z. B. der V-Phase oder der W-Phase) betrieben.
Wie allgemein bekannt ist, wird, wenn ein großer Spannungsstoß Vsu im Schaltelement S1 erzeugt wird (siehe 15), ein hoher Energieverlust im Schaltelement S1 verursacht. Im schlimmsten Fall kommt es zu einem Problem, dass das Element durch anormale Überhitzung oder dergleichen zerstört wird. Daher wird bei der vorliegenden Ausführungsform wie vorstehend beschrieben der Betrieb des Wandlers der Phase gestoppt, für welche bestimmt wurde, dass der Öffnungsfehler in der Hilfsschaltung 22b vorliegt, wodurch es möglich ist, ein Problem wie das Zerstören des Elements vorab zu vermeiden.
B. Modifizierte Beispiele
<Modifikationsbeispiel 1>
16 zeigt ein Flussdiagramm zum Darstellen der Fehlerbestimmungsverarbeitung einer Hilfsschaltung 22b gemäß dem Modifikationsbeispiel 1. Es sei angemerkt, dass bezüglich der in 16 gezeigten Schritte die Schritte, welche jenen aus 15 entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, und auf deren Beschreibung verzichtet wird.
Beim Ausschalten eines ersten Schaltelements S1 (Schritt S1) erfasst eine Steuerung (Differenz-Ableitungsmittel) 160 eine Spannung Vc2 zwischen den beiden Enden eines Snubber-Kondensators C2.
Die Steuerung 160 vergleicht die erfasste Spannung Vc2 zwischen den beiden Enden des Snubber-Kondensators C2 mit einem Normalspannungs-Grenzwert, der in einem (nicht dargestellten) Speicher gespeichert ist, um zu beurteilen, ob die Spannung Vc2 zwischen den beiden Enden des Snubber-Kondensators C2 größer als der Normalspannungs-Grenzwert ist (Schritt Sa2).
Wenn die Spannung Vc2 zwischen den beiden Enden des Snubber-Kondensators C2 kleiner als der Normalspannungs-Grenzwert ist, bestimmt die Steuerung 160, dass die Hilfsschaltung 22b normal ist, und beendet das Verfahren.
Wenn dagegen die Spannung Vc2 zwischen den beiden Enden des Snubber-Kondensators C2 nicht geringer als der Normalspannungs-Grenzwert ist, bestimmt die Steuerung (Bestimmungsmittel und Ausfallsicherheitsmittel) 160, dass ein Fehler (ein Öffnungsfehler) in der Hilfsschaltung 22b vorliegt, um in einen Ausfallsicherheitsbetrieb zu schalten, wie in Schritt S3 dargestellt, und dadurch das Verfahren zu beenden. Hierbei wird, als Ausfallsicherheitsbetrieb, ein Wandler einer Phase (zum Beispiel einer U-Phase), für welche bestimmt wurde, dass der Öffnungsfehler in der Hilfsschaltung 22b vorliegt, gestoppt, und eine Last wird unter Verwendung eines Wandlers einer verbleibenden Phase (zum Beispiel einer V-Phase oder einer W-Phase) betrieben.
<Modifikations-Beispiel 2>
Bei der vorstehend genannten Ausführungsform wurde als Fall eines Ausfallsicherheitsbetrieb ein Fall beschrieben, wo der Wandler der Phase, bei welcher festgestellt wurde, dass der Öffnungsfehler auftritt, gestoppt wurde und die Last 130 durch Verwendung des Wandlers der verbleibenden Phase betrieben wurde, jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Ausführungsform beschränkt. Beispielsweise kann für die Phase, für die beurteilt wird, dass der Öffnungsfehler auftritt, kein Softswitching durchgeführt werden, sondern Hardswitching kann durchgeführt werden. Wenn jedoch das Hardswitching durchgeführt wird, kann ein Problem, wie zum Beispiel das Zerstören eines Elements im ersten Schaltelement S1 auftreten. Daher kann eine Ausgabe begrenzt werden, um vorab die Zunahmerate eines Stromes zu unterdrücken. Insbesondere führt die Steuerung (das Ausfallsicherheitsmittel) 160 eine Überwachung/Begrenzung derart aus, dass die Änderungsrate des durch das erste Schaltelement S1 fließenden Stroms nicht größer als eine vorgegebene Änderungsrate wird. Insbesondere kann, wenn das Hardswitching durchgeführt wird, ein Gate-Widerstand des ersten Schaltelements S1 erhöht werden, oder ein maximal zulässiger Wert der Last 130 kann auf einen niedrigen Wert eingestellt werden, um die Ausgabe zu begrenzen. Als Gate-Widerstand des ersten Schaltelements S1 ist für den Fall, in welchem die Hilfsschaltung 22b normal funktioniert beispielsweise ein Gate-Widerstand (nachfolgend als der erste Gate-Widerstand bezeichnet) R1 vorgesehen, und ein großer Gate-Widerstand (nachfolgend als der zweite Gate-Widerstand bezeichnet) R2 (> R1) ist für den Fall vorgesehen, wo der Öffnungsfehler in der Hilfsschaltung 22b auftritt. Die Steuerung 160 führt eine Auswahlschaltung des Gate-Widerstandes des ersten Schaltelements S1 auf Basis des Ausführungsergebnisses der Fehlerbestimmungs-Verarbeitung aus 15 oder 16 durch. Das bedeutet, wenn bestimmt wird, dass die Hilfsschaltung 22b normal ist (Schritt S2 oder S2a: NEIN), wählt die Steuerung 160 den ersten Gate-Widerstand R1, wohingegen bei der Feststellung, dass der Öffnungsfehler in der Hilfsschaltung 22b auftritt (Schritt S2 oder S2a: JA); die Steuerung den zweiten Gate-Widerstand R2 auswählt. Gemäß dieser Anordnung kann ein Problem, wie zum Beispiel das Zerstören eines Elements, vorab verhindert werden. Es sei angemerkt, dass ein Betrieb in einem Fall, wo die Auswahlschaltung des maximal zulässigen Werts der Last 130 ausgeführt wird, in gleicher Weise ausgeführt werden kann wie in dem Fall, wo die Auswahlschaltung des Gate-Widerstandes des ersten Schaltelements S1 ausgeführt wird, so dass auf eine Beschreibung hiervon verzichtet wird. Darüber hinaus können der Gate-Widerstandswert des ersten Schaltelements S1 oder der maximal zulässige Wert der Last 130 vorab experimentell oder dergleichen bestimmt werden.
Darüber hinaus wird als Ursache dafür, dass die Differenzspannung ΔV gleich dem oder größer als der Spannungsgrenzwert wird, erachtet, dass die Ladung des Snubber-Kondensators C2 nicht ausreichend entfernt wird, bevor das Schaltelement ausgeschaltet wird. In diesem Fall kann der An-/Aus-Zeitpunkt des zweiten Schaltelements S der Hilfsschaltung 22b in geeigneter Weise verändert werden, um sicherzustellen, dass die Ladung des Snubber-Kondensators C2 ausreichend entfernt wurde. Zudem kann die Differenzspannung ΔV erneut erhalten werden, um zu bestimmen, ob der Öffnungsfehler in der Hilfsschaltung 22b vorliegt oder nicht.
<Modifikations-Beispiel 3>
Darüber hinaus wurde bei der vorliegenden Ausführungsform als zweites in der Hilfsschaltung 22b enthaltenes Reihenschaltungselement ein Beispiel beschrieben, wo der Anodenanschluss der Diode D2 mit dem Verbindungsabschnitt zwischen der Diode D3 und dem Snubber-Kondensator C2 des ersten Reihenschaltungselements verbunden ist, und der Kathodenanschluss der Diode D2 mit dem Pol eines Endes des zweiten Schaltelements (dem Hilfsschalter) S2 verbunden ist (siehe 3). Jedoch kann als Schaltungstopologie dieses zweiten Reihenschaltungselements eine Konfiguration verwendet werden, bei der die Anordnung der Elemente der Reihenschaltung mit der Spule L2, der Diode D2, dem zweiten Schaltelement S2 und dergleichen in geeigneter Weise verändert ist. Insbesondere kann, wie in den 16 oder 17 dargestellt, die Freilaufschaltung 22c weggelassen werden, und die Reihe der Schaltanordnung mit der Spule L2, dem zweiten Schaltelement S2 und dergleichen kann ausgetauscht werden.
Bezugszeichenliste

100: FCHV System
110: Brennstoffzelle
120: Batterie
130: Last
140: Inverter
2500: FC-Wandler
160: Steuerung
170: Sensorgruppe
180: Batteriewandler
250: FC-Softswitch-Wandler
22a: Haupt-Spannungserhöhungsschaltung
22b: Hilfsschaltung
22c: Freilaufschaltung
S1 und S2: Schaltelement
C1 und C3: Glättungskondensator
C2: Snubber-Kondensator
L1 und L2: Spule
D1, D2, D3, D4 und D5: Diode
D6: Freilaufdiode

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2005-102438 A [0006]

Claims

Steuerung für einen Soft-Switch-Wandler, der eine Ausgangsspannung einer Brennstoffzelle steuert und eine Haupt-Spannungserhöhungsschaltung sowie eine Hilfsschaltung umfasst, wobei die Hilfsschaltung aufweist: einen Hilfsschalter, der parallel mit einem Hauptschalter verbunden ist, der die Haupt-Spannungserhöhungsschaltung bildet, und ein erstes Reihenschaltungselement, in welchem eine Klemmendiode und ein Snubber-Kondensator miteinander in Reihe verbunden sind, wobei die Klemmendiode und der Snubber-Kondensator parallel mit dem Hauptschalter verbunden sind und mit einem hochspannungsseitigen Anschluss und einem niederspannungsseitigen Anschluss der Brennstoffzelle verbunden sind, wobei die Wandlersteuerung aufweist: ein Erfassungsmittel zum Erfassen einer Spannung zwischen beiden Enden des von der Klemmendiode geklemmten Snubber-Kondensators in einem Fall, wo der Hauptschalter ausgeschaltet ist; und ein Beurteilungsmittel zum Vergleichen der Spannung zwischen den beiden Enden des Snubber-Kondensators mit einem eingestellten Normalspannungsgrenzwert, um zu bestimmen, dass in einem Fall, wo die Spannung zwischen den beiden Enden den Normalspannungsgrenzwert übersteigt, ein Fehler in der Hilfsschaltung vorliegt.
Wandlersteuerung nach Anspruch 1, ferner aufweisend ein Differenzableitungsmittel zum Erhalten einer Differenzspannung zwischen den beiden Enden des Snubber-Kondensators und einer Spannung zwischen den beiden Enden des Hauptschalters, wobei das Beurteilungsmittel die Differenzspannung mit einem gegebenen Fehlerbestimmungsgrenzwert vergleicht, um zu bestimmen, dass in einem Fall, wo die Differenzspannung den Fehlerbestimmungswert übersteigt, ein Fehler in der Hilfsschaltung vorliegt.
Wandlersteuerung nach Anspruch 1 oder 2, ferner aufweisend ein Ausfallsicherheitsmittel zum Unterbrechen eines Betriebs der Haupt-Spannungserhöhungsschaltung in einem Fall, bei dem bestimmt wird, dass der Fehler in der Hilfsschaltung vorliegt.
Wandlersteuerung nach Anspruch 1 oder 2, ferner aufweisend ein Ausfallsicherungsmittel zum Begrenzen einer Änderungsrate eines Stromes, der durch den Hauptschalter der Haupt-Spannungserhöhungsschaltung fließt, auf eine Grenzänderungsrate oder weniger, in einem Fall, wo bestimmt wird, dass der Fehler in der Hilfsschaltung vorliegt.
Wandlersteuerung nach Anspruch 4, wobei das Ausfallsicherungsmittel einen Gatewiderstand in dem Fall, wo bestimmt wird, dass der Fehler in der Hilfsschaltung vorliegt, auf einen Wert einstellt, der größer als ein Gatewiderstand des Hauptschalters in einem Fall ist, wo bestimmt wird, dass die Hilfsschaltung normal ist, um die Änderungsrate des Stromes auf die Grenzänderungsrate oder weniger zu begrenzen.
Wandlersteuerung nach Anspruch 4, wobei das Ausfallsicherungsmittel in dem Fall, bei dem bestimmt wird, dass der Fehler in der Hilfsschaltung vorliegt, einen maximal zulässigen Lastwert auf einen Wert einstellt, der niedriger ist als ein maximal zulässiger Lastwert in dem Fall, wo bestimmt wird, dass die Hilfsschaltung normal ist, um die Änderungsrate des Stroms auf die Grenzänderungsrate oder weniger zu begrenzen.
Wandlersteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Hilfsschaltung ferner ein zweites Reihenschaltungselement aufweist, in welchem eine Diode, eine Hilfsspule und der Hilfsschalter miteinander in Reihe verbunden sind, wobei die Diode, die Hilfsspule und der Hilfsschalter mit einem Abschnitt zwischen einem Verbindungsabschnitt der Klemmendiode und dem Snubber-Kondensator und einem Ende der Hauptspule verbunden sind.
Wandlersteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Haupt-Spannungserhöhungsschaltung fern er aufweist: eine Hauptspule, deren eines Ende mit dem hochspannungsseitigen Anschluss der Brennstoffzelle verbunden ist, eine erste Diode, deren Kathode mit dem anderen Ende der Hauptspule verbunden ist, und einen Glättungskondensator, der mit einer Anode der ersten Diode sowie dem niederspannungsseitigen Anschluss der Brennstoffzelle verbunden ist, und ein Ende des Hauptschalters mit dem anderen Ende der Hauptspule verbunden ist, und das andere Ende desselben mit dem niederspannungsseitigen Anschluss der Brennstoffzelle verbunden ist.
Wandlersteuerung nach Anspruch 1, wobei der Soft-Switch-Wandler ein Mehrphasen Soft-Switch-Wandler ist, der für jede Phase eine Hilfsschaltung aufweist, und Hilfsspulen, welche die Hilfsschaltungen der jeweiligen Phasen bilden, in den Hilfsschaltungen aller Phasen gemeinsam verwendet werden.